ＭＡＣ層的多媒體同步研究

摘 要：以往的協議主要針對有線環境，要求數據無差錯實時地傳輸，而在無線環境下，滿足該要求的代價非常大。首先介紹多媒體同步的概念，以及要求，指出在未來無線通信環境中，進行MAC層同步的必要性；然后提出協議，通過仿真分析，結果表明新協議能夠較好地滿足未來移動通信的需要。

關鍵詞：MAC；多媒體同步；MPEG；QoS

中圖分類號：TN911.4 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)06-102-03

Research for Multi-media Synchronization on MAC Level

TAN Guoqing，ZHUANG Dongshu

(Guilin University of Electronic Technology，Guilin，541004，China)

Abstract：Former protocol mainly focused on real-time transmission of data with no error on cable circumstance.But in wireless circumstance，it will cost a lot to fulfill this demand.This paper firstly introduces the concept of multi-media synchronization，and the demand for it.Then it presents the idea that it is necessary for multi-media synchronization on MAC level in the future wireless communication circumstance.Then our protocol is presented.Simulation based on our protocol shows the new protocol can meet the demand of future mobile communications.

Keywords：MAC；multi-media synchronization；MPEG；QoS

1 引 言

隨著無線網絡的快速發展，傳輸多媒體業務越來越成為需求的熱點，視頻點播等業務需要實時傳輸存儲的多媒體。而無線網絡的特點是帶寬有限而且一般是不可變的，移動設備解碼能力有限、緩存有限，所以需要發送端將媒體進行同步傳輸，并且一般不采用媒體復用的方法同步傳輸多媒體。本文通過仿真說明，通過MAC層同步能很好的提高無線信道的利用率，同時保證較高的QoS。

2 媒體同步

多媒體是指多種數據流類型的集成，這些數據流包括連續媒體流(音頻、視頻和動畫) 及離散媒體流(文本、數據、圖形和圖像等)。在這些媒體流的信息單元之間存在著某種時間關系，當多媒體系統存儲、發送和播映數據時必須維持這種關系。一般地，維持1個或多個媒體流的時間順序的過程就稱為多媒體同步。同步機制在同步層中實現，同步層相應于OSI 參考模型中的會話層和表示層。多媒體同步需要系統的許多部分支持，包括操作系統、通信系統、數據庫以及應用程序。因此，一個多媒體系統的同步要從幾個層次上加以考慮。經典的多媒體同步主要在同步層中實現，同步層相應于OSI 參考模型中的會話層和表示層^[1]。

媒體層的操作是針對單個的媒體流，媒體流被看作由一系列的邏輯數據單元(LDU) 組成。該層的目的是維持一個媒體流內部各個LDU 的時間關系，避免由于抖動引起LDU 間的時間關系破壞，從而造成媒體流的不連續。例如對于一個25 frame/ s的視頻流，每幀應播映40 ms。如果不能保持這種時間關系，超過一定限度，觀眾就會明顯感到畫面的停頓和不連續，從而影響觀眾情緒。

碼流層操作針對一組媒體流，目的是保持相關媒體流之間的時間關系以及媒體流內部各個媒體單元的連續性。單個的LDU 在流層是不可見的，例如人演講的場面，需要維護一個音頻流和一個視頻流之間的關系，這也稱為唇同步。如果兩者不能很好地同步，超過一定的限度，如音頻超前或滯后視頻160 ms以上，觀眾就會明顯感到演講者嘴唇的運動與聲音的不一致，影響觀看效果。

3 同步要求QoS 描述

同步要求可以用服務質量來表達，所需的服務質量取決于媒體的應用。 為保證同步要求而定義的QoS 參數包括單個媒體流所允許的時延抖動以及兩個媒體流中相關媒體單元的時間差即偏移。對于單個媒體，最重要的同步要求是時延抖動和時延。例如，對于音頻類業務允許的最大端2端時延為0.125 s，時延抖動應小于10 ms ，否則就不能保證音頻流的連續性。對于兩個相關媒體的QoS 定義了可以接受的同步邊界。 例如一部影片的音頻和視頻分別保存在數據庫的不同目錄下，此時要考慮唇同步。音頻和視頻的相關LDU 的時間差稱為偏移，研究表明：當偏移在-80 ms(音頻滯后視頻) ～+ 80 ms (音頻超前視頻) 之間時，多數觀眾都不會感到偏移的存在，這就是同步區域；當偏移在-160～+160 ms之外時，幾乎所有觀眾都對播映不滿意，這一區域稱為失步區域。 對于多個相關媒體的QoS，可以通過給出的兩兩媒體的QoS 要求計算出所需要的媒體間的QoS，如果應用程序將一組相關同步要求加于一個多媒體系統，也可以通過計算找出最嚴格的同步要求。

4 移動流媒體三大特點

流媒體是指視頻、聲音等數據以實時傳輸協議承載，并以連續的流的形式從源端向目的端傳輸，在目的端接收到一定緩存數據后就可以播放出來的多媒體應用。流媒體技術應用到移動網絡和終端上，稱之為移動流媒體技術。

移動流媒體技術有3大特點：

(1) 能夠實時播放音視頻和多媒體內容。這樣可以大大縮短啟動延時，避免用戶必須等待整個文件全部從服務器源上下載完成后才能觀看的缺點；

(2) 播放的流媒體文件不需要在客戶端保存，減少對客戶端存儲空間的要求，也減少緩存容量的需求；

(3) 由于流媒體文件不在客戶端保存，從而從一定程度上解決了媒體文件的版權保護問題。

2.5G，3G等無線網絡的發展也使得流媒體技術可以被用到無線終端設備上，特別是3G用戶無線網絡接入帶寬的提高，移動流媒體技術所封裝出的應用將會成為3G的一類主要應用。

流媒體傳輸技術的主要特點是以流的形式進行多媒體數據的傳輸。把連續的影像和聲音信息經過壓縮處理后放到網絡服務器上，客戶端在播放前并不需要下載整個媒體文件，而是在將緩存區中已經收到的信息進行播放的同時，多媒體文件的剩余部分將持續不斷地從服務器下載到客戶端，即“邊下載，邊播放”。這樣就避免了用戶在收看或收聽媒體流的時候要花費一段時間把完整的文件下載到客戶端，可以給用戶帶來“實時播放”的業務感知體驗。

流媒體直播。流媒體編碼服務器將實時信號編碼壓縮成相應的格式，并經由流媒體服務器分發到用戶的終端播放器。根據實時內容信號源的不同，又可以分為電視直播、遠程監控等。

5 仿真環境介紹

本協議中基站(BS)是整個網絡的控制中心，他除了完成把有限的信道資源公平、高效地分配給多個移動用戶這樣一個任務之外，還必須解決每個移動用戶上行傳輸(即從移動用戶到基站的信息傳輸)的多媒體同步問題。仿真環境如圖1所示。

由于本協議主要用于實時同步傳輸音頻，視頻信號。而視頻多以25幀/s傳輸，所以，幀的時長為40 ms。幀結構如圖2所示。

FH表示新的一幀開始，可用于同步。上行用戶的HEAD由基站發出，其中含有本幀剩余時間，輪詢的是第幾個用戶等信息，REAR由用戶發出，表示本用戶傳輸完畢。媒體I為音頻或視頻幀，媒體也需要幀頭，幀尾，幀頭中含有包含相對時間戳。下行用戶的HEAD的信息包含發送用戶的終端信息，REAR也表示本用戶發送完畢。A是競爭接入時隙，有可能在有的幀中沒有，作用為填充本幀，以及供新的，或者用戶優先級較高的用戶接入。由基站發出指示信號后，新用戶才競爭接入。

本文考慮的是用戶在發送的時候，也要接收數據，并且數據均為多媒體數據。視頻數據是用F-ARIMA產生的MPEG流^[5]，音頻是用ON-OFF模型產生的。其中I幀的平均大小為65 742 b，P幀的平均大小為24 588 b，B幀的平均大小為10 851 b，并以IBBPBBPBBPBB組成一個GOP。音頻數據率為6.4 k， on期和off期均服從指數分部，on期參數為1.32 s，off期參數為1.82 s。由于MPEG解碼的特殊性，即B幀的解碼要依靠其前后的I/P幀，而I/P幀的錯誤、丟失就會造成本GOP剩余幀均不能正確解碼，直到下一個正確到來的I幀為止。本文針對MPEG的這一特點，考慮到多媒體數據(特別是視頻數據)的突發性，以及基站可以記錄用戶所傳輸的數據幀類型這一特點。提出由用戶和基站共同控制用戶數據的丟棄，即當同步點到來時，由于用戶的I/P幀不能完全傳輸(本幀剩余時間不足以傳送該I/P幀)，由用戶將本GOP的數據全部丟棄，而由基站記錄丟棄幀的信息。

6 仿真結果

表1是帶寬為10 M，用戶數為9的情況下的仿真數據。其中各用戶的接入時間采用幀平移技術 [3]。下面的數據為音頻和視頻數據的丟幀數單位均為幀。其中視頻數據共有174 120幀，用戶的音頻幀為67 725。其中視頻(實際丟棄)指實際被丟棄的幀數。視頻(實際無效)，指由于實際丟棄的幀而導致的不能正確解碼的幀(見表1)。

從表1的仿真結果可知，在無線通信環境下，MAC層的重要作用。有了MAC層的控制，即對用戶的接入時間，信道資源進行控制，以及選用恰當的丟棄策略，能顯著地減少丟幀數，提高用戶的滿意度，提高信道的利用率。

7 結 語

本協議利用MPEG視頻流幀大小的變化進行統計復接，利用MPEG的解碼特性，利用視頻播放的連續性、確定性，以及利用基站可以對用戶進行同步和控制，設計該協議。

仿真結果表明，該協議可以很好地滿足用戶的需要，并且有很高的信道利用率。

參考文獻

[1]許延，常義林，劉增基.多媒體同步技術研究[J].西安電子科技大學學報，2000，27(4)：504-509.

[2]吳偉.移動流媒體技術與標準發展趨勢\\[EB/OL\\].中國聯通網站.

[3]潘健，施建良，余松煜.基于宏塊條互相關的MPEG-2 VBR視頻統計復用\\[J\\].上海交通大學學報，1998，33(4)：394-397.

[4]Gerold Blakowski，Ralf Steinmetz.A Media Synchronization Survey：Reference Model，Specification，and Case Studies\\[J\\].IEEE Journal on Selected Areas in Communication，1996，14(1)：5-35.

[5]Nirwan Ansari，Hai Liu，Yun Q Shi.On Modeling MPEG Video Traffics\\[J\\].IEEE Transactions on Broadcasting，2002，48(4)：337-347.

[6]江連山，陳偉萍.無線局域網MAC層信道利用效率分析\\[J\\].現代電子技術，2006，29(7)：4-6.

作者簡介 譚國慶 男，1982年出生，重慶綦江人，碩士研究生。主要從事無線網絡的研究工作。

莊東曙 男，1980年出生，河北邢臺人，碩士研究生。主要從事超寬帶無線通信、無線網絡通信等方面的研究工作。